¿El mundo cuántico a simple vista?

Antonio Jesús Marín Garrido

Imagen 1: representación de un átomo
[25-12-2017]

Alberto Martínez Jódar

Los términos científicos técnicos son habitualmente usados para llamar la atención de un público curioso e impresionable. Es común escuchar en anuncios extrañas palabras como “extracto liofilizado” y “agua micelar”, que consiguen hacernos confiar en un producto únicamente por nuestra capacidad de asombro ante lo desconocido. Esta entrada, más allá de las estrategias de marketing, está inspirado en un primo lejano del que toda la familia habla pero que nunca asiste a las cenas de Navidad: los ordenadores cuánticos.




Entrando en materia

A pesar de que existen dispositivos cuánticos indispensables en nuestra vida diaria, como el pen drive y el CD, este tipo de ordenadores no son (aún) un bien de uso doméstico y sus aplicaciones se centran principalmente en la investigación, debido a su potente capacidad de cálculo y simulación, así como en la interpretación de ciertos fenómenos cosmológicos. Con esta entrada se pretende realizar una aproximación divulgativa a la tecnología cuántica subyacente y enfatizar las sorprendentes diferencias de comportamiento de los sistemas cuánticos respecto de los sistemas físicos clásicos.

Un poco de historia...

La base de los superordenadores cuánticos es el llamado condensado de Einstein-Bose. Actualmente, se convive con familiaridad (y cierta sensación de “obviedad”) con conceptos como naturaleza atómica de la materia y, dentro de ella, la naturaleza de partículas subatómicas tales como protones y neutrones (de carga positiva y sin carga respectivamente, que forman los núcleos atómicos) y de electrones (inquietas partículas de carga negativa que no hacen más que oscilar alrededor de los átomos), pero es necesario recordar la gran suspicacia con la que inicialmente fueron recibidas esta y otras más teorías revolucionarias. Tanto es así que si bien la existencia del condensado fue predicha en el año 1924 por los célebres científicos Albert Einstein y Satyendra Nath Bose, no pudo ser demostrada (y, por tanto, aceptado por la comunidad científica) hasta 71 años después gracias al desarrollo tecnológico. De cualquier modo, no era la primera vez que una idea de Einstein era desprestigiada por sus congéneres científicos por su gran carácter innovador.



Vale, pero, ¿qué es un condensado de Bose-Einstein?

Imagen 2: niveles de energía en bosones

y fermiones [25-12-2017]

El condensado es un estadode agregación que únicamente se observa cuando se consigue enfriar la materia a temperaturas cercanas al 0 absoluto, estando los átomos en el menor estado de energía posible (y no energía 0) o punto cero. A temperaturas ordinarias, los átomos y moléculas tienen un cierto grado de agitación y se encuentran claramente separadas por enlaces químicos. Conforme disminuye la temperatura, la distancia entre los átomos y moléculas disminuye hasta que llega un punto en que no pueden acercarse más debido a las repulsiones entre partículas, de forma similar a los empujones que propinan los viajeros en el transporte público. En Física Clásica, cuando dos partículas tienen las mismas coordenadas pueden diferenciarse por otras propiedades, como trayectoria o velocidad. En Física Cuántica existe una regla de aplicación general: el principio de exclusión de Pauli, que postula que, a escalas atómicas, dos partículas diferentes no pueden coincidir en todas sus propiedades, ya que entonces serían la misma entidad. En este caso, todas las partículas estarían en el mismo “escalón” de energía y se dice que son indistinguibles, formando una “sopa cuántica”. A pesar de lo que se creyó durante un tiempo, no todos los sistemas se ajustan a este comportamiento: los bosones, que recientemente han saltado a la fama por los avances en el acelerador de hadrones, son partículas que violan el principio de exclusión. Los fermiones sí lo obedecen y se encuentran bien diferenciados en sus respectivos niveles de energía. También necesitamos dominar otro concepto para entender el condensado: los átomos pueden comportarse, simultáneamente, como onda y como partícula, de forma análoga a la oscilación de una cuerda sujeta por ambos extremos. La cuerda, a pesar de no perder su propia identidad, adquiere una forma sinusoidal típica de una onda.

Imagen 3: simil de onda en una cuerda
[25-12-2017]

Cuando la temperatura de un sistema de bosones se reduce hasta límites próximos al 0 absoluto sus las partículas están tan juntas que los “empujones” entre ellas dominan su situación. En este caso, sus átomos deciden reconciliarse y olvidar sus diferencias para comportarse como si fueran uno solo. Es decir, desde un punto de vista físico, se vuelven indistinguibles, lo que definitivamente determinará las propiedades observables del sistema. Esto ocurre porque todos los átomos presentes solapan su función de onda y responden al unísono ante el mismo estímulo. Esta situación, en la que todos los átomos ultrafríos se comportan como un “gran átomo” se ha comprobado gracias a fenómenos de interferencia en sistemas de ⁴He. Sorprendentemente, el ⁴He no es un bosón, pero es capaz de comportarse como tal.

Imagen 4: fotografía real de la formación de un BEC [25-12-2017]

Entendido, ¿y por qué es diferente de otros sistemas clásicos?

Imagen 5: esquema de la
superfluidez [25-12-2017]

Las propiedades de un condensado de Bose-Einstein pueden parecer producto de la ciencia ficción, pero son más que reales. Si bien la densidad es la propiedad que aumenta de forma más evidente, quizás la más llamativa sea la superfluidez. Como los átomos del condensado están enfriados al mínimo y, al haber decidido ser pacíficos y no empujar a otros átomos tampoco se rozarán con el medio, por lo que se mueven sin resistencia y con viscosidad nula, ascendiendo espontáneamente por las paredes del recipiente que los contiene. La propiedad análoga es la superconductividad, en la que la resistencia eléctrica se hace prácticamente despreciable: una corriente eléctrica podría circular casi indefinidamente sin atenuarse.

Y lo más importante... ¿por qué es útil?

Las aplicaciones del condensado son diversas. En computación cuántica, se piensa que los condensados permitirán solucionar el problema conocido como decoherencia cuántica, por el cual los sistemas cuánticos comienzan a comportarse como sistemas clásicos. Dividiendo los núcleos en varios módulos cuánticos que compartan información mediante condensados de Bose-Einstein ligados, se cree que se podrá mejorar tanto la velocidad de transmisión de información cuántica como la reducción de qubits necesarios para el ordenador. El condensado también encuentra aplicación en un campo tan dispar como la predicción e interpretación de fenómenos cosmológicos. Debido al tratamiento a escala atómica realizado, es chocante asumir la aplicación de la teoría cuántica en cuerpos tan grandes como las estrellas. Una de las comparaciones más extendidas es la del condensado de Bose-Einstein con una estrella de neutrones. A pesar de sus diferentes densidades, se han encontrado vórtices cuánticos en el interior del condensado que recuerdan a los observados dentro de la estrella de neutrones, y que pueden ser la base para construir giroscopios cuánticos. El fenómeno de colapso de la estrella también podría ser modelado recurriendo a este sistema. Otras aplicaciones son la optimización de los láseres atómicos en la impresión de nanoestructuras de gran precisión; desarrollo de relojes atómicos que proporcionen medidas más precisas del tiempo o la detección de la intensidad del campo gravitatorio.

Nuestras conclusiones

En nuestra opinión, los condensados de Bose-Einstein constituyen un fenómeno cuántico que, a diferencia de la mayoría, es observable a nivel macroscópico. Actualmente, se han convertido en una inesperada herramienta en el asedio a la investigación teórica de diferentes fenómenos físicos pero, como en tantas otras ocasiones a lo largo de la historia, la verdadera revolución científica va de la mano del avance tecnológico, por lo que quizás sea necesario esperar un poco más de tiempo para comprender, de forma más profunda, el comportamiento de la materia.


Para saber más

Si eres una mente ávida de conocimientos, aquí te dejamos una serie de enlaces para que aprendas sobre:

• Bosones, fermiones y partículas subatómicas.
• Bosones y fermiones: esos famosos desconocidos (Cuentos Cuánticos).
• La esencia de la materia: una historia de fermiones y bosones (Gluones).
• Understanding natural phenomena 7: of bosons and fermions (Nirmukta)

• Condensado de Bose-Einstein.
• ¿Qué tienen de especial los condensados de Bose-Einstein? (Ciencia de Sofá)
• El condensado de Einstein-Bose (Cuentos Cuánticos)
• Cornell, Ketterle y Wieman, Nobel de Física por sintetizar el condensado Bose-Einstein (Europapress)
• IBM fabrica un condensado de Bose-Einstein a temperatura ambiente (Naukas)

• Las estrellas.
• Estrellas de neutrones (National Geographic)
• Estrellas de neutrones (Astronomía de Altas Energías)
• Diez curiosidades sobre las estrellas de neutrones, los púlsares y las enanas blancas (Xataka Ciencia)

Referencias

• Webgrafía (última visita el 25-12-2017)

https://cuentos-cuanticos.com
http://nirmukta.com
http://blogs.elcorreo.com/el-navegante
http://origenmateria.blogspot.com.es
https://es.wikipedia.org
https://gluones.wordpress.com
http://www.europapress.es
http://francis.naukas.com
http://cienciadesofa.com
http://www.astroscu.unam.mx
http://www.nationalgeographic.es

• Bibliografía

[1] M. B. Kadomtsev, B. B. Kadomtsev, "Bose-Einstein condensates", PHYS-USP, 1997, 40 (6), 623–637.

[2] A. Görlitz, J. M. Vogels, A. E. Leanhardt, C. Raman, T. L. Gustavson, J. R. Abo-Shaeer, A. P. Chikkatur, S. Gupta, S. Inouye, T. Rosenband, and W. Ketterle, "Realization of Bose-Einstein Condensates in Lower Dimensions", Phys. Rev. Lett. 87, 130402.